(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線領域の光の検出機能を有する光電変換部を備えた量子型光電変換素子と、
前記量子型光電変換素子に電気的に接続された第一の接続端子と、
前記第一の接続端子とは電気的に絶縁された第二の接続端子と、
前記量子型光電変換素子、前記第一の接続端子、及び前記第二の接続端子を封止する樹脂モールドと、
前記第二の接続端子と電気的に接続された光学調整部と
を備え、
前記光学調整部は、前記赤外線領域の光を前記量子型光電変換素子に導き、
前記光学調整部上には、同一面上に形成された発熱素子および温度測定素子、もしくは、発熱機能と温度測定機能の両方の機能を持つ素子が形成されており、
前記発熱素子及び温度測定素子の両方、もしくは、発熱機能と温度測定機能の両方の機能を持つ素子は、同一材料のメタル配線であることを特徴とする赤外線センサ。
【請求項２】
前記発熱素子および前記温度測定素子の各々、もしくは発熱機能と温度測定機能の両方の機能を持つ素子が、金属ボールを介して電気的に前記第二の接続端子に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
【請求項３】
前記光学調整部は、所望の波長帯域を選択的に透過する光学フィルタ機能を持つことを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
【請求項４】
前記量子型光電変換素子は、Ｉｎ又はＳｂを含む化合物半導体で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
【請求項５】
赤外線領域の光の検出機能を有する光電変換部を備えた量子型光電変換素子と、
前記量子型光電変換素子に電気的に接続された第一の接続端子と、
前記第一の接続端子とは電気的に絶縁された第二の接続端子と、
を樹脂モールドにより封止するステップと、
前記第二の接続端子上に金属ボールを形成するステップと、
前記第二の接続端子と、前記赤外線領域の光を前記量子型光電変換素子に導く光学調整部とを、前記金属ボールを介して電気的に接続されるようにフリップチップ接合するステップと
を含み、
前記光学調整部上には、同一面上に形成された発熱素子および温度測定素子、もしくは、発熱機能と温度測定機能の両方の機能を持つ素子が形成されており、
前記発熱素子及び温度測定素子の両方、もしくは、発熱機能と温度測定機能の両方の機能を持つ素子は、同一材料のメタル配線であることを特徴とする赤外線センサの製造方法。
【請求項６】
前記赤外線センサは、請求項２〜４のいずれかに記載の赤外線センサであることを特徴とする請求項５に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線センサ及びその製造方法に関し、より詳細には、量子型光電変換素子を備える赤外線センサ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
長波長、例えば３μｍ以上の波長の光を検知する赤外線センサにおいて高感度を実現することは困難とされている。その理由としては、大気のバックグラウンドの輻射や、センサの窓部の結露による水分が光を吸収してしまうという現象の発生等が挙げられる。そのため、多くの用途、特に高精度の測定が要求される赤外線分析デバイスではバックグランドに関する補正および結露防止機構が要求される。
【０００３】
また、デバイスの窓部自身が熱を持ち輻射を発生するため、被測定光がデバイスの受光素子に入射しなくても、窓部からの寄生の輻射が検出され、測定誤差を生じる原因となっている。
【０００４】
光センサにおいて窓部の結露を防ぐ技術の一例が特許文献１に記載されている。この技術では、複数の抵抗体を光センサの周囲に設置し、それらの抵抗体に電流を流すことによって抵抗体が発熱し、光センサの結露が防止できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−０９９８８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した従来技術では、赤外線センサ等の光センサの周囲に多数の素子を設けることで光センサ全体のサイズが大きくなる。また、システムが複雑になるため、光センサの小型化が困難となる。
【０００７】
本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来と比べて高精度かつ小型の赤外線センサを提供することにある。また、本発明の別の目的は、従来と比べて高精度かつ小型の赤外線センサの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、赤外線領域の光の検出機能を有する光電変換部を備えた量子型光電変換素子と、前記量子型光電変換素子に電気的に接続された第一の接続端子と、前記第一の接続端子とは電気的に絶縁された第二の接続端子と、前記量子型光電変換素子、前記第一の接続端子、及び前記第二の接続端子を封止する樹脂モールドと、前記第二の接続端子と電気的に接続された光学調整部とを備え、前記光学調整部は、前記赤外線領域の光を前記量子型光電変換素子に導き、前記光学調整部上には、同一面上に形成された発熱素子および温度測定素子、もしくは、発熱機能と温度測定機能の両方の機能を持つ素子が形成されており、前記発熱素子及び温度測定素子の両方、もしくは、発熱機能と温度測定機能の両方の機能を持つ素子は、同一材料のメタル配線であることを特徴とする赤外線センサである。
【０００９】
また、本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記発熱素子および前記温度測定素子の各々、もしくは発熱機能と温度測定機能の両方の機能を持つ素子が、金属ボールを介して電気的に前記第二の接続端子に接続されていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の第３の態様は、第１の態様において、前記光学調整部が、所望の波長帯域を選択的に透過する光学フィルタ機能を持つことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の第４の態様は、第１の態様において、前記量子型光電変換素子が、Ｉｎ又はＳｂを含む化合物半導体で形成されていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の第５の態様は、赤外線領域の光の検出機能を有する光電変換部を備えた量子型光電変換素子と、前記量子型光電変換素子に電気的に接続された第一の接続端子と、前記第一の接続端子とは電気的に絶縁された第二の接続端子と、を樹脂モールドにより封止するステップと、前記第二の接続端子上に金属ボールを形成するステップと、前記第二の接続端子と、前記赤外線領域の光を前記量子型光電変換素子に導く光学調整部とを、前記金属ボールを介して電気的に接続されるようにフリップチップ接合するステップとを含み、同一面上に形成された発熱素子および温度測定素子、もしくは、発熱機能と温度測定機能の両方の機能を持つ素子が形成されており、前記発熱素子及び温度測定素子の両方、もしくは、発熱機能と温度測定機能の両方の機能を持つ素子は、同一材料のメタル配線であることを特徴とする赤外線センサの製造方法である。
【００１４】
また、本発明の第６の態様は、第５の態様において、前記赤外線センサが、第２から第４のいずれかの態様の赤外線センサであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の赤外線センサによれば、光学調整部上に発熱素子または温度測定素子を備えることにより高精度を実現し、また、光学調整部とリードフレームから形成される接続端子を金属ボールを介して電気的に接続・固定することに小型化を実現することができる。
【００１６】
また、本発明の赤外線センサの製造方法によれば、発熱素子または温度測定素子を備える光学調整部を用いることにより高精度を実現し、光学調整部と量子型光電変換素子とが金属ボールを介して電気的に接続されるようにフリップチップ接合することにより小型化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】（ａ）は、本発明の実施形態による赤外線センサの断面図であり、（ｂ）は、本発明の実施形態による赤外線センサが備える光学調整部の詳細な構造を示す平面図である。
【図２】一般的な量子型赤外線センサの構成を説明するための図であって、量子型赤外線センサに用いられる受光部を示した断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は、実施例の量子型赤外線センサの作製過程を説明するための図である。
【図４】図３（ｃ）のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１９】
図１（ａ）は、本発明の実施形態による赤外線センサの断面図である。赤外センサ１０は、赤外線領域の光の検出機能を有する光電変換部を備えた量子型光電変換素子１と、量子型光電変換素子１に電気的に接続されたリードフレーム（図示せず）の接続端子３と、量子型光電変換素子１及び接続端子３を封止する樹脂モールド２と、金属ボール４を介して接続端子３と電気的に接続された光学調整部５とを備える。
【００２０】
リードフレームの接続端子３には、光学調整部５との電気接続ができるように、パッド３ａ〜３ｄ（３ｃと３ｄは図示せず）が形成される。具体的にはリードフレーム３の一部が露出され、その露出された部分がパッド３ａ〜ｄとなる。パッド３ａ〜ｄと光学調整部５のパッド６ａ〜ｄとの間に金属ボール４を示したが、具体的な材料としては、Ｉｎバンプ又は半田ボールのような電気伝導率の良い、且つ機械強度の高い材料を利用しても良い。ここでは金属ボール４の役割は光学調整部５の機械的な固定及び電気的な接続を持つ。場合によって、半田ペーストで金属ボール４を形成し、その後、光学調整部５を乗せて、半田ペーストが固まるように加熱処理を行なうという固定方法を用いても良い。
【００２１】
光学調整部５は、赤外線領域の光を量子型光電変換素子１に導く機能を有する。光学調整部５の機能の一例としては、被検出光の一部の波長範囲のみを選択する光学フィルタがある。この場合、フィルタの光学部材の材料としては、シリコン（Ｓｉ、硝子（ＳｉＯ2）、サファイヤ（Ａｌ2Ｏ3）、Ｇｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣａＦ2、ＢａＦ2などの所定の赤外線が透過する材料が用いられる。また、これに蒸着される薄膜材料としては、シリコン（Ｓｉ）、硝子（ＳｉＯ2）、サファイヤ（Ａｌ2Ｏ3）、Ｇｅ、ＺｎＳ、ＴｉＯ2、ＭｇＦ2、ＳｉＯ2、ＺｒＯ2、Ｔａ2Ｏ5などが使用される。また、光学部材上に異なる屈折率を有する誘電体を層状に積層した誘電体多層膜フィルタは、表面、裏面異なる所定の厚み構成で両面に作られていてもよいし、また、片面のみに形成されていてもよい。また、不要な反射を防止する目的で反射防止膜が表面、裏面の両面、又は片面の最表層に形成されていても構わない。
【００２２】
図１（ｂ）は、本発明の実施形態による赤外線センサが備える光学調整部の詳細な構造を示す平面図である。この図は、光学調整部５を量子型光電変換素子１と向かい合う側から見た図である。光学調整部５は、基板上に発熱素子７及び温度測定素子８を備え、これらの素子は、パッド６ａ〜ｄを介して接続端子３と電気的に接続される。パッド６ａ〜ｄはそれぞれパッド３ａ〜ｄに対応する。図１（ａ）で示すように、被検出光が光学調整部５を透過して、量子型光電変換素子１に入射する。図１（ｂ）では発熱素子７と温度測定素子８を別の配線により形成されているものとして示したが、発熱機能と温度測定機能は同じ配線で行なっても良い。例えば、光学調整部５の基板上に一つの配線を形成し、温度を測定する場合、この配線の抵抗を測定してからその値を温度に換算し、また、結露防止もしくはセンサの感度校正のための発熱の場合、配線に配線が発熱するように電流を流す、という二つの機能を持たせても良い。
【００２３】
発熱素子７及び温度測定素子８（若しくは両方の機能を持つ１素子のみ）は、光学調整部５の基板に上記のような光学フィルタ構造を形成してから、フォトリソ技術及びメタル形成技術を利用して形成される。具体的な形成方法としては、フォトレジストを塗布し、その後、発熱素子７と温度測定素子８のパターンを描いたフォトマスクを利用してパターニングし、また、メタル配線は蒸着法もしくはスパッター法を用いて形成し、最後に不要となるメタル部分のリフトオフを実施することで、発熱素子７と温度測定素子８のパターンが形成される。メタル配線の構造としては短膜の材料でもよいし、光学調整部５の基板との密着性を向上させるために、２層以上のメタル材料を利用しても良い。密着性を向上させる材料としてはＴｉが利用できる。Ｔｉを形成してから、Ｐｔ、Ａｕなどの層を形成すると良い。発熱素子７及び温度測定素子８は同一の材料で形成しても良い。この場合、１回のフォトリソ工程及びメタル配線形成工程で形成することができ、望ましい場合がある。
【００２４】
赤外線領域の光が量子型光電変換素子１に到達すると、量子型光電変換素子１が光の強度に応じた電気信号を発生する。発熱素子７及び温度測定素子８は、光の妨げにならないように設計されている。この電気信号は、ワイヤー及び端子（図示せず）を介して外部に出力される。出力信号用の端子は、接続端子３と同一のリードフレーム上で形成可能である。
【００２５】
本実施形態の赤外センサ１０は、発熱素子７に瞬間的に電流を流すことによって、光学調整部５の基板とその周囲の結露を防止することができ、光の入射効率を水分により低下せずに、湿度の不安定な環境でも安定な動作を可能にする。これにより量子型光電変換素子１の高感度を保つことができる。
【００２６】
また、同じ発熱素子７を利用して一定の電流を流すことにより、発熱による一定の輻射を放出することができる。この輻射を利用して、量子型光電変換素子１の感度の校正が可能となる。
【００２７】
また、発熱素子７又は温度測定素子８の抵抗値を測定することによって、窓部周囲の温度を正確に測定することができる。光学調整部５とその周囲の温度情報を利用して、赤外線センサ１０自身の温度補正が可能となる。この温度補正は外部の信号処理回路によって実現できる。
【００２８】
加えて、金属ボール４並びに接続端子３上のパッド３ａ〜ｄ及び光学調整部５上のパッド６ａ〜ｄを用いることで、光学調整部５の固定と同時に、光学調整部５が有する発熱素子７または温度測定素子８がリードフレームから形成される接続端子３を介して、外部回路との接続が可能となり、部品数も少なく、小型化を図ることができる。光学調整部５及び量子型光電変換素子１が同様の接続端子３を介して外部回路に電気的に接続されるが、デバイス作成の段階ではダイシング工程などにより、接続端子３ａ〜ｄ（光学調整部上の発熱素子及び温度測定素子接続用）及び接続端子３ｅ〜ｆ（量子型光電変換素子１接続用）が電気的に絶縁され、発熱素子と温度測定素子の回路及び量子型光電変換素子１の回路は電気的に絶縁することができる。上記のダイシング工程の具体的な例として、ＤＦＮ（Dual Flat No-Lead Package）に用いられるダイシング方法が挙げられる。
【００２９】
なお、以上の説明では、光学調整部５上に発熱素子７及び温度測定素子８の両方が形成されている場合を考えてきたが、いずれか一方のみが形成されている場合でも、上述の高精度化に関する効果のうちの少なくとも１つを奏し、赤外線センサ１０の高精度化を図ることができる。
【００３０】
また、光学調整部５にフィルタ機能を持たせてもよい。例えば、人体からの輻射を検出する場合、人体が放射する１０μｍ付近の波長（例えば５〜３０μｍ）を選択し、他の発熱物体との区別がし易くすることができる。
【００３１】
次に、本発明の実施形態による赤外線センサの製造方法を説明する。まず、赤外線領域の光の検出機能を有する光電変換部を備えた量子型光電変換素子１と、量子型光電変換素子１に電気的に接続されたリードフレーム（図示せず）の接続端子３とを樹脂モールド２により封止する（ステップ１）。次いで、接続端子３上のパッド３ａ〜ｄの上に金属ボール４を形成する（ステップ２）。最後に、フリップチップ法を利用して、光学調整部５のパッド６ａ〜ｄを金属ボール４を介してパッド３ａ〜ｄに固定する（ステップ３）。発熱素子７及び温度測定素子８を窓部９の領域に備える光学調整部５が、金属ボール４を介して接続端子３と電気的に接続される。この製造方法を利用することによって、小型かつ高性能の赤外線センサが実現できる。
【００３２】
実施例 
図２は、一般的な量子型赤外線センサの構成を説明するための図であって、量子型赤外線センサに用いられる受光部を示した断面図である。光電変換部は、例えば半絶縁性のＧａＡｓ基板１２上に設けられた複数の光電変換素子２１によって構成される。図２では複数の光電変換素子２１は、各々がＩｎＳｂ系の量子型ｐｉｎフォトダイオードであって、互いに直列に接続されている。フォトダイオード同士を接続する配線は、一層の金属等の配線１３である。各光電変換素子２１は、基板１２上にインジウム（Iｎ）及びアンチモン（Ｓｂ）を含むＩｎＳｂのようなｎ型化合物半導体層（ｎ層）、ノンドープの化合物半導体層層（π層）と、バンドギャップがｎ層及びπ層よりも大きいＡｌＩｎＳｂのような化合物半導体層と、Ｐ型の不純物が高濃度にドーピングされているｐ型化合物半導体層（ｐ層）とが順次積層された構造となっている。図中に矢線で示した赤外線Ｉは、基板１２の裏面から光電変換素子２１に入射する。赤外線Ｉの入射により、赤外線Ｉの輻射量に応じた光起電力が光電変換素子２１内で発生する。発生した光起電力は、接続配線を通って光電変換部の外へ出力されるようになっている。
【００３３】
図２で示した受光部がモールド樹脂にモールドされ、また、図３（ａ）で示すように一部が光が入射するように露出される。光入射面と同様の面に、パッド３ａ〜ｆが形成される（リードフレームの接続端子となる）。このパッドａ〜ｆには金属ボール４が形成され、その後、図３（ｃ）に示すように光学調整部５が固定される。最終的な形は図３（ｄ）に示す。パッド３ａ〜ｄは光学調整部５を固定するために利用され、パッド３ｅ及び３ｆは量子型光電変換素子１の電気的接続に利用する。
【００３４】
図４は、図３（ｃ）のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。ここでは量子型光電変換素子１がパッケージ内にあるワイヤー１１を介して、パッド３ｅ及び３ｆに電気的に接続されている。パッド３ｅ及び３ｆは、量子型光電変換素子１で発生した電子信号を外部回路に接続するために設けられている。
【００３５】
このような構造を実現すると、非常に小型、例えば、厚み３ｍｍ以下、奥行き×幅が例えば５ｍｍ×５ｍｍ以下の光学フィルタ・結露防止機構・温度測定機構・感度補正機構付きの赤外線センサが実現できる。また、図２で示した量子型光電変換素子１の材料（π層がＩｎＳｂ）を利用した場合、波長が１μｍ〜７μｍまで検知できるが、用途によって、例えば４〜４．２μｍの波長のみを検出したい場合、この波長のみを透過する光学調整部５を利用すると良い。また、光学調整部５の温度を正確に測ることによって、光学調整部５による寄生輻射の補正が可能となる。この温度測定は温度測定素子７で測定可能である。例えば、温度測定素子８の材料をＰｔにすると、Ｐｔのサーミスターとして利用できる。また、同様の配線を利用して（発熱素子７）、センサ感度の校正が可能となる。例えば、発熱素子７に電流を流し、発熱により一定の輻射を発生させ、量子型光電変換素子１でその光を検出する。発熱素子７からの輻射を利用して、量子型光電変換素子１の感度の校正が瞬間的に可能となるので、従来よりも高精度の被検出光の測定が可能となる。
【００３６】
また、湿度が不安定な環境で赤外線を測定する場合、窓部の結露が測定精度に影響を与える可能性がある。この場合、本発明の発熱素子７を利用して、窓部及びその付近に発熱することによって、加熱による結露防止が可能となる。
【００３７】
つきましては、本発明の赤外線センサを利用すると、湿度の不安定な環境でも、長波長の赤外線センサの高精度測定を超小型の赤外線センサで実現可能となる。
【符号の説明】
【００３８】
１  量子型光電変換素子
２  モールド樹脂
３  リードフレームの接続端子
３ａ〜ｄ  接続端子３上のパッド
４  金属ボール
５  光学調整部
６ａ〜ｄ  光学調整部５上のパッド
７  発熱素子
８  温度測定素子
１０  赤外線センサ
１１  ワイヤー
１２  基板
１３  配線
【図１】
0005531275.tif 000002
【図２】
0005531275.tif 000003
【図３】
0005531275.tif 000004
【図４】
0005531275.tif 000005